[发明专利]一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台

说明书

一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台，包括机械部分和电气部分，所述机械部分采用电磁驱动方式，采用高精度和高线性度的超声波传感器和角度电位器分别测量小球位置和平衡杆转过的角度；所述电气部分包含TMS320F28027s DSP控制板、PWM开关型功率放大器以及超声波传感器和角度传感器的信号采集电路，平台与PC机之间通过USB接口连接，用户在Simulink环境下设计的模型，在编译成可执行文件后通过XDS100仿真器下载到控制器中运行。本发明控制器与PC机之间通过USB接口实现交互，使得平台控制电路小巧可靠，可同时兼容携式笔记本电脑，台式电脑以及工控机。

技术领域

本发明涉及磁悬浮控制、球杆控制以及半实物仿真技术领域，特别是一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台。

背景技术

随着我国经济的快速增长，社会生产生活对自动化需求越来越大，要求也越来越高。对自动化专业的人才需求也越来越多样化和个性化，不仅要求自动化行业人才有扎实的理论功底，更要有很强的动手能力，开拓创新能力。为适应市场需求，目前我国各大高校均积极采取有效措施，坚持同时进行理论教学与实际实验教学相结合，加强实验教学研究，创新实验教学模式。在这个过程中，教学实验仪器对培养学生的系统观和控制观起着重要的作用。球杆系统和磁悬浮球系统作为经典的教学仪器，在高校中得到了广泛的推广使用，他们极大的方便了控制类专业进行教学演示和控制算法验证实验。但传统的球杆系统和磁悬浮球系统均存在许多不足。

传统球杆系统实验平台均采用伺服电机驱动，从电机转轴到平衡杆之间还存在减速皮带和传动轮等传动机构，这使得系统模型变得更加复杂，不利于进行系统分析与控制算法设计。并且系统所用伺服驱动器、伺服电机等执行机构组件为通用工业设备，通常价格昂贵，这无形之中提高了球杆系统的开发成本，不利于实验设备的推广。另一方面，传统球杆系统通过固定于平衡杆上的直线电位器的电阻大小来判断小球位于平衡杆中的位置，小球直接在直线电位器上运动，使得电位器容易变形和老化，导致系统参数发生改变。

传统磁悬浮球系统实验平台的模型相对复杂，控制难度大，并且由于小球只经过轻微的扰动，线圈电流就要产生变化，所以控制过程肉眼无法分辨不利于控制教学。另一方面，由于传统磁悬浮实验平台大多采用光电位移传感器或者霍尔传感器，使得小球位置反馈存在测量精度低、量程短，输入输出线性度差等问题。

同时，传统控制工程实验平台无论是运动控制部分还是数据采集部分，大多依赖于PCI数据采集接口。限制了平台只能与台式电脑配套使用，这使得实验人员所有的实验工作都必须在实验室完成。并且由于PCI接口电路的复杂，以及通用型数据采集卡的功能多，而导致PCI通用数据采集卡价格昂贵，间接提高了设备开发成本。

发明内容

为克服上述提到的传统球杆系统和磁悬浮球系统实验平台的不足，本发明提供了一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台。该实验平台对传统球杆系统与磁悬浮球系统的机械结构和控制方式上进行了优化，使得实验平台控制器电路小巧、实验现象直观、执行器工作稳定效率高，可广泛用于高校控制理论实验教学以及控制算法验证。

为达以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台，包括机械部分和电气部分，所述机械部分采用电磁驱动方式替换传统球杆系统中的电机驱动方式，省略了传统球杆系统中的中间传动装置，采用高精度和高线性度的超声波传感器和角度电位器分别测量小球位置和平衡杆转过的角度；所述电气部分包含TMS320F28027s DSP控制板、PWM开关型功率放大器以及超声波传感器和角度传感器的信号采集电路，平台与PC机之间通过USB接口连接，用户在Simulink环境下设计的模型，在编译成可执行文件后通过XDS100仿真器下载到控制器中运行。